淺析文物保護(hù)中數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

劉飛達(dá)

【摘要】早在文藝復(fù)興時(shí)期，文物修復(fù)作為文物保護(hù)工作的重要環(huán)節(jié)，因其對(duì)技術(shù)具有較高要求，以至于在文物保護(hù)傳承的過程中蒙受了巨大損失。得益于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展的高速發(fā)展，使數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)從視覺研究領(lǐng)域的重點(diǎn)逐漸成為文物保護(hù)工作不可缺少的應(yīng)用技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】文物保護(hù)；數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)；虛擬修復(fù)

【中圖分類號(hào)】S725 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

引言

文物作為人類文明發(fā)展的實(shí)際見證，它不僅反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)及文化生活的真實(shí)狀態(tài)，還是文物及歷史學(xué)者用于研究文化發(fā)展規(guī)律的重要工具。文物保護(hù)及修復(fù)工作不僅能滿足文物觀賞的需求，還能對(duì)社會(huì)文化及體制變革具有推動(dòng)作用。然而，自數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)引入我國(guó)后，雖然在平面設(shè)計(jì)、商業(yè)廣告等領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用及發(fā)展，但受技術(shù)層面及操作方式不當(dāng)?shù)纫蛩氐南拗?，?dǎo)致該技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用始終不溫不火。

一、數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的歷史及特點(diǎn)

早期的文物圖像修復(fù)技術(shù)源于歐洲文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)家畫作，由于當(dāng)時(shí)的美術(shù)或藝術(shù)作品保存不易，并在流傳過程中多有缺失，藝術(shù)家便憑借自身的想象力，用手工畫作修補(bǔ)的方式，不得不承認(rèn)的是，這種古老而費(fèi)時(shí)的方法，的確能在最大程度上維持原作品的藝術(shù)價(jià)值。但是，這種非數(shù)字修復(fù)的技術(shù)條件具有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)性，一旦在人工修復(fù)過程中出現(xiàn)紕漏，會(huì)導(dǎo)致文物損壞并失去藝術(shù)價(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字掃描儀的出現(xiàn)，結(jié)合文物圖像信息的缺失前提條件，從而提高了文物數(shù)學(xué)圖像修復(fù)的實(shí)際需求。

因此，基于數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的文物保護(hù)，便是將破損文物進(jìn)行數(shù)字圖像掃描后，運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)理論，利用完好區(qū)域的有效信息，以恢復(fù)文物的完整觀賞性為前提，通過填補(bǔ)文物圖像信息的破損部分，使觀眾用肉眼無法察覺出文物圖像本身存在改動(dòng)或破損?？梢哉f，以虛擬修復(fù)為主要手段的數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)，能有效縮短文物視覺修復(fù)的周期，在向觀眾展現(xiàn)完整文物面貌的同時(shí)，也進(jìn)一步縮減了文物修復(fù)工作的時(shí)間及物質(zhì)成本。

二、文物保護(hù)工作中數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的有效算法應(yīng)用

（一）K-均值聚類算法

所謂的K-均值聚類算法是指在處理較大的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，以尋找中心點(diǎn)為解決方法，從而解決局部破損圖像的問題。在實(shí)際文物修復(fù)過程中，出于文物本身存在缺陷或者數(shù)字圖像信息缺失的問題，使數(shù)字圖像的修復(fù)工作本身便是一個(gè)病態(tài)的問題。比如說，由于大型建筑文物在保存過程中出現(xiàn)表面剝落、霉變、上銹、脫落等現(xiàn)象，在文物自身不完整的前提下，文物修復(fù)者只能運(yùn)用K-均值聚類算法修復(fù)技術(shù)，進(jìn)而有效開展視覺修復(fù)研究的相關(guān)工作。

案例一：羅泊灣漪瀾塔位于貴港市羅泊灣村，雖然該地區(qū)文物保護(hù)意識(shí)濃厚，并且氣候較為適宜，有利于大型建筑文物的保存。但是，由于“文革”特殊時(shí)期的影響，使漪瀾塔局部出現(xiàn)坍塌及墻體裂縫，從現(xiàn)狀照片方面來看，總共九層的漪瀾塔有絕大部分處于中高等級(jí)別。因此，為幫助漪瀾塔的整體修復(fù)，便需要對(duì)破損圖像進(jìn)行提取及修復(fù)。在實(shí)際修復(fù)過程中，首先在確定給定類數(shù)K的基礎(chǔ)上，通過集X={x，，x2，...xn}的數(shù)學(xué)函數(shù)公式來選擇破損圖像的隨機(jī)中心點(diǎn)，根據(jù)最佳相似性的原則將每個(gè)集的數(shù)據(jù)劃分為不同的類別，成功劃分為不同類別的數(shù)據(jù)后，再次使用數(shù)學(xué)函數(shù)公式，直至多次運(yùn)行函數(shù)計(jì)算所得出的結(jié)果誤差達(dá)到預(yù)計(jì)或無法再次運(yùn)行計(jì)算后，便可以在計(jì)算機(jī)中得出羅泊灣漪瀾塔的修復(fù)圖像。

（二）偏微分方程式算法

案例二：翼王亭作為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性近現(xiàn)代建筑，在具體的數(shù)字圖像修復(fù)過程中，文物保護(hù)工作者遇到的首要問題便是實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與資料數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的不符。究其原因，主要是受雷暴、洪水、地質(zhì)環(huán)境變遷以及檔案資料欠缺等原因的限制，最為明顯，便是翼王亭高為9.5米，但實(shí)際勘測(cè)數(shù)據(jù)卻為9.7米，給數(shù)字圖像信息的修復(fù)工作帶來了相當(dāng)大的不便。而大面積的破損及灰度值混亂，使傳統(tǒng)的K-均值聚類算法無法得到實(shí)際應(yīng)用。為此，修復(fù)人員運(yùn)用偏微分方程（PDE），即以能量及數(shù)學(xué)模型的方式，對(duì)翼王亭的大面積破損區(qū)域進(jìn)行數(shù)值迭代的相關(guān)評(píng)估。比如說，為有效處理因灰度值變化導(dǎo)致函數(shù)變量過多的問題，修復(fù)人員采用了熱傳

（三）元啟發(fā)式算法

近年來，元啟發(fā)式算法（GWO）在國(guó)內(nèi)外掀起了一陣熱潮，其靈感來自于自然優(yōu)化淘汰的思想，特別是后續(xù)演變產(chǎn)生的“灰狼”式算法，雖然該類算法的應(yīng)用范圍還不是特別廣泛，但在實(shí)際的圖像分割、提取、修復(fù)過程中，明顯略高于K-均值聚類算法，不僅有效提高了實(shí)際質(zhì)量及精度，還在彩色空間圖像修復(fù)中有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

案例三：1994年，位于貴港市的南江古碼頭因洪水災(zāi)害導(dǎo)致牌坊擋土墻及牌坊地面出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p毀。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)二十年的閑置及簡(jiǎn)單維護(hù)，2016年，文物保護(hù)工作者在修繕施工工程中發(fā)現(xiàn)，由于牌坊及相關(guān)文物損毀較為嚴(yán)重，以至于現(xiàn)場(chǎng)照片的噪聲污染較為復(fù)雜，并且具有大量的復(fù)雜紋理破損區(qū)域。因此，使用偏微分方程理論可能難以產(chǎn)生較好的修復(fù)效果。針對(duì)聚類中心存在選擇性差異及整體修復(fù)破損較難的問題，技術(shù)人員提出了將灰狼式算法與K-均值聚類相結(jié)合

經(jīng)過前兩個(gè)階段的計(jì)算后，在勘探過程中，為了模擬數(shù)學(xué)意義上的分散，還需利用隨機(jī)大于1或者小于-1的值來實(shí)現(xiàn)GWO算法的全局搜索。此外，在GWO和K-均值聚類算法的結(jié)合過程中，有利于初次尋找到最佳的聚類中心，并且在后續(xù)計(jì)算過程中不斷優(yōu)化，直至取得最佳的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，這種混合式的算法既能克服傳統(tǒng)算法對(duì)中心點(diǎn)較為依賴的弊病，還在穩(wěn)定修復(fù)方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

三、基于數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的文物虛擬保護(hù)技術(shù)路線及展望

（一）技術(shù)內(nèi)容與路線

近年來，雖然數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)在文物虛擬修復(fù)方面的應(yīng)用較晚，但憑借其風(fēng)險(xiǎn)較低、成本低廉、效果顯著等特點(diǎn)，得到了文物保護(hù)工作者的一致認(rèn)可。在實(shí)際虛擬修復(fù)工作中，主要包括以下幾方面的修復(fù)方法，具體如圖所示。

（二）關(guān)于未來展望

信息化時(shí)代的到來，各種各樣的信息應(yīng)用，使數(shù)字圖像在電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)、博客及微博等方面的需求越來越大。在文物領(lǐng)域，利用文物數(shù)字化，通過網(wǎng)絡(luò)傳播各類文物數(shù)字信息己成為一種文物交流的新趨勢(shì)，文物數(shù)字圖像從采集、處理、傳播到應(yīng)用的研究有了一定發(fā)展。因?yàn)閿?shù)字圖像修復(fù)技術(shù)利用相關(guān)算法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的不足。所以，在實(shí)際文物虛擬修復(fù)過程中，針對(duì)已經(jīng)缺失的破損部分，不能憑借主觀思維去隨意修復(fù)，必須根據(jù)修復(fù)軟件的算法指令來標(biāo)記所要修復(fù)或提取的區(qū)域，以此保證文物的正常修復(fù)效果。

四、結(jié)語

數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)是一門綜合性和技術(shù)性較強(qiáng)的學(xué)科，隨著該技術(shù)的發(fā)展與完善，目前在多個(gè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在一些問題，數(shù)字圖像修復(fù)還需要研究人員的共同努力，讓該技術(shù)在文物領(lǐng)域逐漸走向成熟。隨著數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，從二維數(shù)字圖像到三維數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)研究的深入成熟，其在文物領(lǐng)域的應(yīng)用必將有更廣闊的前景。

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